Kulskruvsdrivenheter - noggrannhet genom förspänning

Kulskruvdrivenheter omvandlar roterande rörelse till exakt linjär rörelse eller vice versa. De används ofta som drivelement. Positioneringsnoggrannheten är avgörande vid användning av kulskruvsdrivenheter. Ett sätt att öka positioneringsnoggrannheten hos en kulskruvsdrivenhet är att minska spelet mellan spindeln och muttern med en förspänning. Men eftersom denna förspänning också ändrar systemets rörelsefrihet finns det kulskruvsdrivenheter med justerbar förspänning. Systemet kan förspännas i sådan utsträckning att det tillåtna axiella spelet mellan kulmuttern och den gängade spindeln uppnås utan att begränsa den fria rörligheten. Förspänning kan uppnå positionsnoggrannhet inom några mikrometer. I den här artikeln kommer du att lära dig hur detta fungerar och vilka noggrannhetsklasser det finns.

Vad är en kulskruvsdrivenhet?

En kulskruvsdrivenhet, även kallad en återcirkulerande kulledsskruv, omvandlar roterande rörelse till linjär rörelse. I sin enklaste form består en kulskruvsdrivenhet av en ledskruv och en mutter. Kulorna rullar mellan dem i ett återcirkulerande spår för att minska friktionen. Mer komplexa system består till exempel av ett dubbelmuttersystem eller har skyddsanordningar. Kulskruvsdrivenheter är mycket exakta och kan överföra höga krafter med låga friktionsförluster, vilket gör dem idealiska för rörelsestyrning i industriella applikationer och maskiner som CNC-maskiner eller robotar. Med deras hjälp, till exempel arbetsstyckesfixturer kan placeras mycket exakt. Korrekt smörjning är nödvändig för att använda kulskruvsdrivenheter (mer information om Smörjning av kulskruvsdrev – smörjmedel, applikationsområden och allmän information).

För mer detaljerad information om funktion, design och precisionsklasser för kulskruvsdrivenheter, se vår artikel om Kulskruvar – Funktion / struktur / typer / precisionsklasser.

Vad är förspänning?

Förspänningen förstås som ett avsiktligt införande av en kraft i ett system eller komponent innan den utsätts för en extern belastning. Det garanterar stabilitet och funktionell tillförlitlighet. En förspänning kan appliceras t.ex. på gängade leder, fjädrar, ledskruvlager, men även på kulskruvsdrev.

Kulskruvar tenderar att vara fjädrande och ha axiellt spel i drivlinan. Axiellt spel är det oanvända rörelseområdet eller motreaktionen hos en ledskruv, som skapas av gapet mellan kulorna i lagret och ledningens skruvgänga och spåren i den gängade muttern.

På grund av det axiella spelet växlar kulskruvsdrivenheten mellan positionerna (+) och (-). För förspänningar i en riktning leder detta ännu inte till positioneringsfel eftersom kulorna pressas mot ena sidan av trådflanken. Men så snart det sker en förändring i riktning eller en återföring av den axiella belastningen, är den absoluta positioneringsnoggrannheten inte längre given.

• F_r = Radiell krafteffekt
• M = böjmoment, t.ex. på grund av felinriktad installation

En förspänning introduceras för att minimera denna oönskade effekt. Beaktande av dimensionella toleranser är avgörande vid justering av förspänningen. Lager- eller gängtoleranser justeras så att det inte finns något spel längre, vilket optimerar systemets positioneringsnoggrannhet och styvhet. Den förs vanligtvis in mellan ledningsskruven och dubbelmuttern, t.ex. genom att använda två muttrar som är fastklämda mot varandra. Fjäderspänningen mellan muttrarna kan vanligtvis justeras med en gängad ring.

Förladdningstermen definieras också i standarder. JIS 1192 definierar till exempel förspänningen som den kraft som internt utövas på kulskruvsdrivningar genom att använda en grupp axiellt förskjutna stålkulor eller ett mutterpar för att minska spelet och öka styvheten hos kulskruvsdrivningen. Överdriven förspänning kan dock till exempel också påverka livslängden för kulskruvsdrivenheten. Mängden förspänning måste därför övervägas noggrant.

Typer av förspänning

I allmänhet finns det två typer av förspänning: radial och axial. Radiell förspänning är en kraft som anbringas vinkelrätt mot rotationsaxeln, t.ex. på lagerringar i ett rullningslager. Den säkerställer enhetlig kontakt mellan rullningslager och lopp. Den axiella förspänningen appliceras längs lager- eller spindelaxeln och förhindrar spel i längsgående riktning. Axiell förspänning används för kulskruvsdrivningar.

Vikten av förspänningskraft

Att använda en förspänning har följande fördelar:

• Styvheten förbättras, vilket i sin tur optimerar lastkapaciteten och repeterbarheten.
• Livslängden ökar. Försiktighet bör dock iakttas för att säkerställa att förspänningen inte är för hög, eftersom den annars kan ha en negativ effekt.
• Vibrationer och ljud minimeras, vilket till exempel är relevant för applikationer som kräver tyst rörelse.
• Spelet minimeras, vilket resulterar i mer exakt rörelsekontroll och positionering. Detta är viktigt bland annat för CNC-maskiner eller inom robotik.

Vid beräkning av den nödvändiga förspänningskraften måste även de nödvändiga toleransklasserna för de komponenter som ska tillverkas beaktas (se Toleransklasser i enlighet med ISO 22081 och DIN ISO 2768: Optimerad användning av allmänna toleranser).

Beräkna förspänningskraften

Förspänningskraften hos muttern representerar alltid en konstant belastning på kulskruvsdrivningen. Det är därför viktigt att hitta en förspänningsskraft som samtidigt inte utövar överdriven belastning på kulskruvenheten samtidigt som den uppfyller sitt syfte. För detta ändamål kan särskilt den förväntade driftsbelastningen beaktas. Förspänningskraften kan till exempel beräknas från den dynamiska belastningsklassen. Detta indikerar vilka belastningar kulskruvsdrivningen tål för att uppnå en livslängd på 1 miljon varv.   Det specificeras av tillverkaren. Belastningsvärden är till exempel standardiserade i ISO 281. För kulskruvsmuttrar med 4-punktskontakt är 5-8 % av den dynamiska belastningsklassen meningsfull för förspänning och 8-10 % för 2-punktskontakt. Andra värden gäller för bestämningar i enlighet med ANSI-standard.

Olika förspänningsmetoder

Det finns olika metoder för att justera förspänningen, såsom kulskruvsmuttrar med justerbar förspänning. I denna variant monteras en fjäder mellan två muttrar, som trycker muttrarna mot vänster och höger sida av spindelloppet. Förspänningen kan justeras ytterligare med en gängad ring. Förspänning kan också uppnås automatiskt med hjälp av hydrauliska system. Olika metoder presenteras i detalj nedan:

Förspänd dubbelmutter till fjäder

Att välja rätt fjäderspänning är avgörande för att optimera förspänningen (se Val av tryck- och kompressionsfjädrar – Översikt / användningar / applikationsexempel). Den fjäderbelastade dubbelmuttern är ett bra alternativ för små kulskruvsdrivenheter. De två muttrarna är placerade i ett hus på ett rotationsfast sätt, där de trycks isär av en fjäder som kläms fast mellan dem. Fjädern ser till att förspänningen alltid förblir densamma, även vid slitage eller på grund av tillverkningstoleranser. Själva förspänningen är också jämförelsevis liten. Nackdelarna med den fjäderbelastade dubbelmuttern är att den i allmänhet är mer komplex och större och inriktningen är svårare. Krafterna kan inte längre överföras i alla riktningar: fjädern kan ge om krafterna är över förspänningskraften.

Installera kulor med en definierad överstorlek

Kulor kan monteras med en definierad överdimension om individuella standardmuttrar används i kulskruvsdrivningen.   Detta resulterar i en så kallad fyrpunktskontakt mellan fyra punkter på bollen och muttern. Detta leder till en betydande ökning av friktionen.

• (1) Ledningsskruv (tvärsnitt)
• (2) Mutter (tvärsnitt)

På grund av den höga friktionen bör denna metod användas med en liten förspänning eller spel. Effektiviteten försämras något och gensvaret på produktionstoleranser är också högre med denna typ av förspänning. För särskilt långa ledningsskruvar är det därför inte meningsfullt att installera förspända enkla muttrar. Fördelarna är: effektivitet och kompakt design.

Installera en enda mutter med stigningsoffset

En pitch offset kan fortfarande väljas för enskilda muttrar. Detta innebär att man installerar en mutter med en gängstigning som avviker något från spindeln. Detta definierade offset gör att de rullande elementens position skiftar i spindelgängan, vilket resulterar i en tvåpunktskontakt. Denna metod är lämplig för medelhög förladdning.

• (1) Ledningsskruv (tvärsnitt)
• (2) Mutter (tvärsnitt)

Installera ett distanselement för dubbla muttrar

En mer komplex förspänningsvariant är att installera ett dubbelmuttersystem med ett distanselement.

• (1) Ledningsskruv (tvärsnitt)
• (2) Mutter (tvärsnitt)
• (3) Distanselement

Två gängade muttrar kläms fast mot varandra med hjälp av ett distanselement, vilket resulterar i en tvåpunktskontakt. Friktionen ökar mycket lite som ett resultat. Det axiella spelet elimineras nästan helt, vilket bidrar till styvheten och precisionen hos kulskruvsdrivningen. Denna metod är livskraftig för medelhög och hög förspänning. Distanselementen möjliggör enkla justeringar av förspänningen, vilket är anledningen till att de är lämpliga för varierande belastningar.